CH702140A2 - Inductive proximity sensor for detecting presence or distance of electrically conductive object, has oscillating circuit and evaluation unit connected with oscillating circuit - Google Patents
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Abstract
Description
[0001] Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungssensor, der ein Sensorelement, welches einen Schwingkreis und eine damit verbundene Auswerteeinheit umfasst, die ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Bedämpfung des Schwingkreises durch ein elektrisch leitfähiges Objekt bereitstellt, und eine Temperaturkompensationsschaltung aufweist, die einen Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des induktiven Näherungssensors umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Temperaturkompensation eines induktiven Näherungssensors. The invention relates to an inductive proximity sensor, which comprises a sensor element which comprises a resonant circuit and an evaluation unit connected thereto, which provides an output signal in response to the damping of the resonant circuit by an electrically conductive object, and a temperature compensation circuit having a temperature sensor for Detecting the temperature of the inductive proximity sensor comprises. The invention further relates to a method for temperature compensation of an inductive proximity sensor.
[0002] Induktive Näherungssensoren detektieren elektrisch leitfähige Metalle auf Grundlage des Wirbelstromprinzips. Mittels eines elektrischen Schwingkreises mit einer Spule und einem Kondensator (LC-Schwingkreis) wird ein magnetisches Wechselfeld aufgebaut, das über die Spule des Schwingkreises in den Raum gerichtet abgestrahlt wird. Gelangt ein elektrisch leitfähiges Objekt (im Folgenden auch «Target» genannt) in den Wirkungsbereich des Wechselfeldes, werden durch das Wechselfeld im Target Wirbelströme induziert, die wiederum ein Magnetfeld hervorrufen, das dem anregenden Magnetfeld entgegengesetzt gerichtet ist. Die Erzeugung der Wirbelströme entzieht dem anregenden Magnetfeld Energie und beeinflusst damit die Impedanz der Spule bzw. dämpft den LC-Schwingkreis. Zur Erfassung der Anwesenheit und/ oder des Abstandes eines Targets von dem induktiven Näherungssensor wird häufig über eine direkte Messung der Schwingkreisamplitude der Realteil der Spulenimpedanz ermittelt, der ein Mass für die Dämpfung des Schwingkreises darstellt. Bei dem Target kann es sich zum Beispiel um eine Schaltfahne handeln, die über den induktiven Näherungssensor ein Schaltsignal auslösen kann. Inductive proximity sensors detect electrically conductive metals based on the eddy current principle. By means of an electrical resonant circuit with a coil and a capacitor (LC resonant circuit), an alternating magnetic field is set up, which is emitted via the coil of the resonant circuit directed into the room. If an electrically conductive object (hereinafter also referred to as "target") enters the effective range of the alternating field, eddy currents are induced by the alternating field in the target, which in turn cause a magnetic field which is opposite to the exciting magnetic field. The generation of the eddy currents deprives the exciting magnetic field energy and thus influences the impedance of the coil or damps the LC resonant circuit. To detect the presence and / or the distance of a target from the inductive proximity sensor is often determined by a direct measurement of the resonant circuit amplitude of the real part of the coil impedance, which is a measure of the damping of the resonant circuit. The target may be, for example, a switching tag which can trigger a switching signal via the inductive proximity sensor.
[0003] Da das magnetische Feld im Nahbereich mit der dritten Potenz in den Raum hinein abnimmt, wird es mit grösser werdendem Abstand des Targets von der Spule immer schwieriger, das Target mit einer ausreichenden Genauigkeit zu detektieren. Der gemäss IEC60947-5-2/EN60947-5-2 bestimmte Abstand eines genormten Targets von dem induktiven Näherungssensor, bei dem ein sicheres Erkennen des Targets gewährleistet ist, wird als Nennschaltabstand bezeichnet und beträgt in der Regel wenige Millimeter. Zur Erzielung möglichst hoher Schaltabstände, die über den Nennschaltabstand hinausgehen, trägt neben einer möglichst hoch aufgelösten Auslesung des Sensorsignals (die z.B. gemäss DE 10 2007 007 551 A1 durch Verwendung eines ΣΔ-Modulators erreicht werden kann) auch eine hohe Temperaturstabilität bei, da der Realteil der Spulenimpedanz durch die Umgebungstemperatur stark beeinflusst wird. Die Impedanz der Spule des LC-Schwingkreises weist aufgrund ihrer Wicklung aus Kupfer eine erhebliche Temperaturabhängigkeit auf. Dieser Temperaturgang ist bei niedrigen Frequenzen linear und kann mit zunehmender Wirbelstromfrequenz über Skin- und Proximity-Effekte im Verlauf beeinflusst werden. Ferner überlagern sich diesem Temperaturgang noch weitere temperaturabhängige Anteile, die aus den Magnetisierungseigenschaften des Feld formenden oder fokussierenden Ferrits und der Auswerteelektronik, z.B. einem Oszillator, einem Komparator, Schaltschwellen etc. resultieren. Durch die Kombination all dieser Anteile kann der Temperaturgang eines induktiven Näherungssensors hochgradig nichtlinear sein. Since the magnetic field in the vicinity decreases with the third power in the room, it becomes more difficult with increasing distance of the target from the coil to detect the target with sufficient accuracy. The distance between a standardized target determined by IEC60947-5-2 / EN60947-5-2 and the inductive proximity sensor, which ensures reliable detection of the target, is referred to as the nominal switching distance and is usually a few millimeters. To achieve the highest possible switching distances that go beyond the nominal switching distance, in addition to a high-resolution reading of the sensor signal (which can be achieved, for example, according to DE 10 2007 007 551 A1 by using a ΣΔ modulator) also contributes a high temperature stability, since the real part the coil impedance is strongly influenced by the ambient temperature. The impedance of the coil of the LC resonant circuit has a significant temperature dependence due to its winding of copper. This temperature response is linear at low frequencies and can be influenced by skinning and proximity effects as the eddy current frequency increases. Furthermore, this temperature response is superimposed by further temperature-dependent components which are formed from the magnetization properties of the field-shaping or focusing ferrite and the evaluation electronics, e.g. an oscillator, a comparator, switching thresholds, etc. result. By combining all of these components, the temperature response of an inductive proximity sensor can be highly non-linear.
[0004] Bei einfachen Nennschaltabständen ist die Änderung des Realteils der Spulenimpedanz durch den Targeteinfluss im Verhältnis noch viel grösser als seine Änderung mit der Temperatur, sodass eine Variation des Schaltabstandes über die Temperatur von +/-10 %, was einem üblichen Toleranzband entspricht, teilweise auch ohne Kompensation nicht überschritten wird. Werden die Schaltabstände jedoch grösser, so nimmt der Einfluss des Targets im Verhältnis zur Temperatur überproportional ab, sodass oftmals bereits bei zweifachem Nennschaltabstand eine Temperaturkompensation erforderlich wird. Um Näherungsschalter mit noch höheren Schaltabständen, etwa dem 3- bis 4-fachen Nennschaltabstand, zu realisieren, müssen weitreichende Temperaturkompensationsmassnahmen ergriffen werden. For simple nominal switching distances, the change of the real part of the coil impedance by the target influence in ratio is still much larger than its change with temperature, so that a variation of the switching distance on the temperature of +/- 10%, which corresponds to a conventional tolerance band, partially even without compensation is not exceeded. However, if the switching distances become greater, the influence of the target in relation to the temperature decreases disproportionately, so that temperature compensation is often required even at twice the nominal switching distance. In order to realize proximity switches with even higher switching distances, for example 3 to 4 times the nominal switching distance, far-reaching temperature compensation measures must be taken.
[0005] Im Stand der Technik sind bereits Vorrichtungen und Verfahren zur Temperaturkompensation von induktiven Näherungssensoren bekannt. So offenbart die Patentschrift CH 690950 A5 eine Temperaturstabilisierung für einen LC-Schwingkreis, welche einen Kupfergleichstromwiderstand der Schwingkreisspule ermittelt und auf dessen Grundlage den negativen Widerstand eines Oszillators umgekehrt proportional beeinflusst, sodass das Temperaturverhalten des LC-Schwingkreises samt des Oszillators stabilisiert wird. Devices and methods for temperature compensation of inductive proximity sensors are already known in the prior art. Thus, the patent CH 690950 A5 discloses a temperature stabilization for a LC resonant circuit, which determines a DC copper resistance of the oscillating circuit coil and on the basis of which the negative resistance of an oscillator inversely proportional influences, so that the temperature behavior of the LC resonant circuit is stabilized together with the oscillator.
[0006] Die Patentschrift DE 10 046 147 C1 offenbart einen Näherungssensor, der eine Temperaturkompensation mit einem zweistufigen Kompensationsverfahren verwendet. Ein erstes Einstellelement beeinflusst die Schaltschwelle eines Komparators, während ein weiteres Einstellelement die Amplitude eines Oszillators beeinflusst. Dabei besteht das Einstellelement des Oszillators aus drei gewichtbaren Stromquellen, deren Strom jeweils von der Temperatur abhängt und unterschiedliche Temperaturverläufe aufweist. The patent DE 10 046 147 C1 discloses a proximity sensor that uses a temperature compensation with a two-stage compensation method. A first adjusting element influences the switching threshold of a comparator, while another adjusting element influences the amplitude of an oscillator. In this case, the adjusting element of the oscillator consists of three weightable current sources whose current depends on the temperature and has different temperature profiles.
[0007] Die aus dem Stand der Technik bekannten Temperaturkompensierungen sind entweder relativ unflexibel, oder aber sehr aufwändig in der Realisierung. The known from the prior art temperature compensations are either relatively inflexible, or very complex in the realization.
[0008] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen induktiven Näherungssensor mit einer Temperaturkompensation, die einerseits hohe Genauigkeit und grosse Flexibilität gewährleistet und andererseits mit geringem Hardwareaufwand zu realisieren ist, und ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen. The object of the invention is an inductive proximity sensor with a temperature compensation, on the one hand ensures high accuracy and high flexibility and on the other hand to realize a small amount of hardware, and to provide a corresponding method.
[0009] Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand von Unteransprüchen. This object is solved by the subject matters of the independent claims. Preferred embodiments are the subject of dependent claims.
[0010] Der erfindungsgemässe induktive Näherungssensor verwendet eine Temperaturkompensationsschaltung mit einem ΣΔ-Modulator zur Abtastung eines Temperatursignals, das von einem Temperatursensor stammt, welcher die Temperatur des induktiven Näherungssensors erfasst. Der ΣΔ-Modulator liefert eine erste Folge digitaler Werte an eine erste digitale Filterstufe mit Tiefpasscharakteristik. Die erste digitale Filterstufe liefert eine zweite Folge digitaler Werte an eine Nachschlagetabelle, welche daraus eine Folge digitaler Nachschlagewerte erzeugt. Die Folge digitaler Nachschlagewerte wird von einer zweiten Filterstufe mit Tiefpasscharakteristik empfangen, die eine Folge von Temperaturkompensationswerten erzeugt, wobei die zweite Filterstufe vorzugsweise digital ausgestaltet ist und stärker filtert als die erste digitale Filterstufe. Die zweite Filterstufe 15 umfasst dazu zum Beispiel einen Filter höherer Ordnung als die erste Filterstufe. Eine Auswerteeinheit des induktiven Näherungssensors empfängt die Folge von Temperaturkompensationswerten und führt basierend darauf eine Temperaturkompensation eines Ausgangssignals des induktiven Näherungssensors aus. The inventive inductive proximity sensor uses a temperature compensation circuit with a ΣΔ modulator for sampling a temperature signal derived from a temperature sensor which detects the temperature of the inductive proximity sensor. The ΣΔ modulator provides a first sequence of digital values to a first digital filter stage with a low-pass characteristic. The first digital filter stage provides a second sequence of digital values to a look-up table which generates a sequence of digital look-up values therefrom. The sequence of digital look-up values is received by a second filter stage with a low-pass characteristic which generates a sequence of temperature compensation values, wherein the second filter stage is preferably designed digitally and filters more strongly than the first digital filter stage. The second filter stage 15 comprises, for example, a filter of higher order than the first filter stage. An evaluation unit of the inductive proximity sensor receives the sequence of temperature compensation values and carries out a temperature compensation of an output signal of the inductive proximity sensor based thereon.
[0011] Dieser Aufbau ermöglicht eine hochgenaue und flexible Temperaturkompensation, ohne dass dazu komplexe und kostspielige Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren (DSP) oder ähnliche elektronische Bauteile verwendet werden müssen. Die hohe Genauigkeit wird durch die an sich bekannte Rauschformung des ΣΔ-Modulators möglich, durch welche das Quantisierungsrauschen zu höheren Frequenzen hin verschoben wird, wodurch das relativ niederfrequente Nutzsignal mit hohem Signal-Rauschabstand erfasst werden kann. This structure allows highly accurate and flexible temperature compensation without the need for complex and expensive microprocessors, digital signal processors (DSP) or similar electronic components to be used. The high accuracy is possible by the known per se noise shaping of the ΣΔ modulator, through which the quantization noise is shifted towards higher frequencies, whereby the relatively low-frequency useful signal can be detected with a high signal-to-noise ratio.
[0012] Die Flexibilität der Temperaturkompensation wird durch die Verwendung einer Nachschlagetabelle ermöglicht, in der ein beliebiger Temperaturgang des induktiven Näherungssensors hinterlegt werden kann. Dabei kann der jeweilige Temperaturgang für den jeweils verwendeten induktiven Näherungssensor individuell erfasst und abgespeichert werden. The flexibility of the temperature compensation is made possible by the use of a look-up table, in which any temperature response of the inductive proximity sensor can be deposited. In this case, the respective temperature response for the inductive proximity sensor used in each case can be detected and stored individually.
[0013] Die Verwendung eines digitalen Kennlinienspeichers statt toleranzbehafteter und temperaturabhängiger analoger Komponenten erhöht zudem die Genauigkeit der Temperaturkompensation. The use of a digital characteristic memory instead of tolerant and temperature-dependent analog components also increases the accuracy of the temperature compensation.
[0014] Ein wesentliches Element der Erfindung besteht darin, die Tiefpassfilterung eines ΣΔ-modulierten binären Signals auf zwei Filterstufen zu verteilen und die Nachschlagetabelle zwischen diesen geeignet anzuordnen. Durch eine entsprechende Auslegung der ersten digitalen Filterstufe wird die von ihr erzeugte zweite Folge digitaler Werte so normiert, dass die Werte der zweiten Folge digitaler Werte direkt als Adressen oder Stützstellen der Nachschlagetabelle verwendet werden können. Die zweite Folge digitaler Werte wird bei der Verwendung eines ΣΔ-Modulators erster Ordnung in der Regel zwischen zwei Stützstellen hin- und herspringen. Die Art der Interpolation, beispielsweise linear, quadratisch oder kubisch, hängt dabei von der Ordnung des ΣΔ-Modulators (ΣΔ-Modulator erster, zweiter oder dritter Ordnung) ab. Die dem ΣΔ-Modulator innewohnende Interpolationseigenschaft wird also zur Interpolation zwischen Stützstellen ohne einen Mikroprozessor genutzt. Da in der Regel bereits wenige Stützstellen genügen, ist der Speicherbedarf der Nachschlagetabelle minimal. An essential element of the invention is to distribute the low-pass filtering of a ΣΔ-modulated binary signal to two filter stages and to arrange the look-up table between them. By means of a corresponding design of the first digital filter stage, the second sequence of digital values it generates is normalized such that the values of the second sequence of digital values can be used directly as addresses or reference points of the lookup table. The second sequence of digital values will usually jump between two nodes when using a first order ΣΔ modulator. The type of interpolation, for example linear, quadratic or cubic, depends on the order of the ΣΔ modulator (ΣΔ modulator of the first, second or third order). The inherent interpolation property of the ΣΔ modulator is thus used for interpolation between nodes without a microprocessor. Since usually only a few support points suffice, the memory requirement of the lookup table is minimal.
[0015] Die Mittelwertbildung zwischen den von der Nachschlagetabelle erzeugten digitalen Nachschlagewerten erfolgt dann in der zweiten Filterstufe. Die beiden Filterstufen können ohne Verwendung eines Mikroprozessors realisiert werden, bei einer Ausführungsform beispielsweise als Summiererelemente, wodurch eine kostengünstige Temperaturkompensation ermöglicht wird. Jedoch können auch komplexere Filter, beispielsweise FIR-Filter, implementiert werden. The averaging between the digital look-up values generated by the look-up table then takes place in the second filter stage. The two filter stages can be implemented without the use of a microprocessor, in one embodiment, for example, as summing elements, thereby enabling cost-effective temperature compensation. However, more complex filters, such as FIR filters, can be implemented.
[0016] Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein sogenannter Dezimator zwischen die zweite Filterstufe und die Auswerteeinheit des induktiven Näherungssensors gekoppelt. Dieser Dezimator ist in für ΣΔ-Modulatoren an sich bekannter Weise ausgestaltet, um die durch die Überabtastung des ΣΔ-Modulators erzeugten redundanten Werte, die keine zusätzliche Information beinhalten, aus der Folge von Temperaturkompensationswerten herauszufiltern. In a preferred embodiment, a so-called decimator is coupled between the second filter stage and the evaluation unit of the inductive proximity sensor. This decimator is designed in a manner known per se for ΣΔ modulators in order to filter out the redundant values generated by the oversampling of the ΣΔ modulator, which contain no additional information, from the sequence of temperature compensation values.
[0017] Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die von der ersten digitalen Filterstufe erzeugte zweite Folge digitaler Werte nur Werte, die Adressen oder Stützstellen der Nachschlagetabelle entsprechen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass alle von dem ΣΔ-Modulator und der ersten Filterstufe erzeugten Werte von der Nachschlagetabelle verarbeitet werden können. In a preferred embodiment, the second series of digital values produced by the first digital filter stage comprises only values corresponding to addresses or nodes of the look-up table. In this way, it is ensured that all values generated by the ΣΔ modulator and the first filter stage can be processed by the look-up table.
[0018] Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein ΣΔ-Modulator höherer Ordnung M verwendet, um dadurch eine stetigere Interpolation, z.B. eine quadratische oder kubische Interpolation, zwischen den Stützwerten der Nachschlagetabelle zu erreichen. In a preferred embodiment, a higher order ΣΔ modulator M is used, thereby providing a more stable interpolation, e.g. a quadratic or cubic interpolation, between the support values of the lookup table.
[0019] Der induktive Näherungssensor umfasst bei einer Ausführungsform einen Temperatursensor, der aus einem temperaturabhängigen Widerstand besteht. Dies ermöglicht eine einfache, kostengünstige und genaue Erfassung der Temperatur des induktiven Näherungssensors. The inductive proximity sensor comprises in one embodiment a temperature sensor consisting of a temperature-dependent resistor. This allows a simple, inexpensive and accurate detection of the temperature of the inductive proximity sensor.
[0020] Eine bevorzugte Ausführungsform verwendet den Gleichstromwiderstand einer Spule des LC-Schwingkreises des Näherungssensors direkt als den temperaturabhängigen Widerstand des Temperatursensors. Da bei dieser Ausführungsform kein separates Bauteil zur Temperaturerfassung verwendet wird, entfallen damit mögliche Temperaturübergangsprobleme zwischen dem induktiven Näherungssensor und einem separaten Temperaturerfassungsbauteil. A preferred embodiment uses the DC resistance of a coil of the LC resonant circuit of the proximity sensor directly as the temperature-dependent resistance of the temperature sensor. Since no separate component for temperature detection is used in this embodiment, thus eliminating possible temperature transition problems between the inductive proximity sensor and a separate temperature sensing device.
[0021] Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Auswerteeinheit des induktiven Näherungssensors einen Digital-Analog-Umsetzer, der die Folge von Temperaturkompensationswerten in einen temperaturabhängigen Strom umsetzt. Dieser Strom wird durch ein Nachführen einer Oszillatorspannung des Schwingkreises des Näherungssensors zur Temperaturkompensation verwendet. Diese Ausführungsform ermöglicht eine einfache analoge Temperaturkompensation. In a preferred embodiment, the evaluation unit of the inductive proximity sensor comprises a digital-to-analog converter, which converts the sequence of temperature compensation values into a temperature-dependent current. This current is used by tracking an oscillator voltage of the resonant circuit of the proximity sensor for temperature compensation. This embodiment enables a simple analog temperature compensation.
[0022] Bei einer alternativen bevorzugten Ausführungsform umfasst die Auswerteeinheit des induktiven Näherungssensors einen Digital-Analog-Umsetzer, der die Folge von Temperaturkompensationswerten in eine temperaturabhängige Spannung umsetzt, die zur Temperaturkompensation durch ein Nachführen einer Schaltschwelle eines Komparators verwendet wird. Dieser Aufbau ermöglicht eine analoge Temperaturkompensation des induktiven Näherungssensors auf einfache Weise. In an alternative preferred embodiment, the evaluation unit of the inductive proximity sensor comprises a digital-to-analog converter, which converts the sequence of temperature compensation values into a temperature-dependent voltage which is used for temperature compensation by tracking a switching threshold of a comparator. This structure enables analog temperature compensation of the inductive proximity sensor in a simple manner.
[0023] Die zweite Filterstufe kann dann auch nach dem Digital-Analog-Umsetzer angeordnet und analog ausgeführt sein. The second filter stage can then also be arranged after the digital-to-analog converter and executed analogously.
[0024] Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Auswerteeinheit des induktiven Näherungssensors einen Analog-Digital-Umsetzer, der eine Oszillatorspannung des Schwingkreises des Näherungssensors in digitalisierte Amplitudeninformationen umsetzt. Bei dieser Ausführungsform ist die zweite Filterstufe digital ausgestaltet und liefert eine digitale Folge von Temperaturkompensationswerten. Diese Ausführungsform umfasst ferner, dass die Auswerteeinheit des induktiven Näherungssensors zum direkten Verrechnen der Folge von Temperaturkompensationswerten mit den digitalisierten Amplitudeninformationen ausgestaltet ist. Durch die digitale Verarbeitung der Signale kann die Auswerteeinheit sehr einfach ausgestaltet sein, beispielsweise kann ein einfacher Summierer ausreichend sein. In a further embodiment, the evaluation unit of the inductive proximity sensor comprises an analog-to-digital converter, which converts an oscillator voltage of the resonant circuit of the proximity sensor into digitized amplitude information. In this embodiment, the second filter stage is digital and provides a digital series of temperature compensation values. This embodiment further comprises that the evaluation unit of the inductive proximity sensor is configured to directly calculate the sequence of temperature compensation values with the digitized amplitude information. Due to the digital processing of the signals, the evaluation unit can be configured very simply; for example, a simple summer can be sufficient.
[0025] Eine weitere bevorzugte Ausführungsform verwendet einen zweiten ΣΔ-Modulator, wobei der zweite ΣΔ-Modulator zur Erzeugung digitalisierter Amplitudeninformationen des Schwingkreises ausgestaltet ist. Ferner verwendet diese Ausführungsform bei der Temperaturkompensation eine digitale zweite Filterstufe, die eine digitale Folge von Temperaturkompensationswerten liefert. Die Auswerteeinheit ist dabei zum direkten Verrechnen der digitalen Folge von Temperaturkompensationswerten mit den digitalisierten Amplitudeninformationen ausgestaltet. Auch bei dieser Ausführungsform kann die Auswerteeinheit sehr einfach ausgestaltet sein, beispielsweise als Summierer. Durch den Wegfall analoger Bauteile kann diese Ausführungsform besonders einfach durch einen integrierten Schaltkreis realisiert werden. A further preferred embodiment uses a second ΣΔ modulator, wherein the second ΣΔ modulator is configured to generate digitized amplitude information of the resonant circuit. Further, this embodiment uses a digital second filter stage in temperature compensation that provides a digital sequence of temperature compensation values. The evaluation unit is designed for directly calculating the digital sequence of temperature compensation values with the digitized amplitude information. Also in this embodiment, the evaluation unit can be configured very simply, for example as a summer. By eliminating analog components, this embodiment can be particularly easily realized by an integrated circuit.
[0026] Bei einer weiteren bevorzugten und davon ausgehenden Ausführungsform ist der Schwingkreis des Näherungssensors in dem Rückkopplungszweig des zweiten ΣΔ-Modulators angeordnet, wodurch neben einer hohen Auflösung der Oszillator Spannung auch eine grosse Dynamik des induktiven Näherungssensors ermöglicht wird. In a further preferred and outgoing embodiment of the resonant circuit of the proximity sensor is arranged in the feedback branch of the second ΣΔ modulator, which in addition to a high resolution of the oscillator voltage and a large dynamics of the inductive proximity sensor is possible.
[0027] Die Aufgabe wird weiterhin mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Die Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens und besonders bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich in analoger Weise aus den obigen Schilderungen zu entsprechenden Ausführungsformen der erfindungsgemässen Vorrichtung und deren Vorteile. The object is further achieved by a method having the features of claim 13. The advantages of the method according to the invention and particularly preferred embodiments result in an analogous manner from the above descriptions of corresponding embodiments of the device according to the invention and their advantages.
[0028] Im Folgenden wird die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen unter Bezug auf die beiliegenden schematischen Figuren im Detail erläutert. Dabei zeigen: <tb>Fig. 1a und b<sep>den schematischen Aufbau zur Temperaturkompensation eines induktiven Näherungssensors gemäss der vorliegenden Erfindung (Fig. 1a) sowie die Funktionsweise einer dabei verwendeten Nachschlagetabelle (Fig. 1b); <tb>Fig. 2<sep>eine erste Ausführungsform des erfindungsgemässen induktiven Näherungssensors, bei welcher die Temperaturkompensation über einen Referenzstrom des Oszillators der Auswerteeinheit erfolgt; <tb>Fig. 3<sep>eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemässen induktiven Näherungssensors, bei welcher die Temperaturkompensation über eine Änderung der Komparatorreferenzspannung erfolgt; <tb>Fig. 4<sep>eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemässen induktiven Näherungssensors, bei welcher der Ausgang des Oszillators der Auswerteeinheit über einen Analog-Digital-Umsetzer digitalisiert und dann mit der Folge von Temperaturkompensationswerten digital verrechnet wird; und <tb>Fig. 5<sep>eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemässen induktiven Näherungssensors, bei welcher der Ausgang des Oszillators der Auswerteeinheit von einem ΣΔ-Modulator digitalisiert und anschliessend mit der Folge von Temperaturkompensationswerten digital verrechnet wird.In the following the invention with reference to exemplary embodiments with reference to the accompanying schematic figures will be explained in detail. Showing: <Tb> FIG. 1a and b show the schematic structure for temperature compensation of an inductive proximity sensor according to the present invention (FIG. 1a) and the mode of operation of a look-up table used therewith (FIG. 1b); <Tb> FIG. 2 <sep> a first embodiment of the inductive proximity sensor according to the invention, in which the temperature compensation takes place via a reference current of the oscillator of the evaluation unit; <Tb> FIG. 3 <sep> a second embodiment of the inductive proximity sensor according to the invention, in which the temperature compensation takes place via a change of the comparator reference voltage; <Tb> FIG. 4 shows a third embodiment of the inductive proximity sensor according to the invention, in which the output of the oscillator of the evaluation unit is digitized via an analog-to-digital converter and then digitally computed with the sequence of temperature compensation values; and <Tb> FIG. FIG. 5 shows a fourth embodiment of the inductive proximity sensor according to the invention, in which the output of the oscillator of the evaluation unit is digitized by a ΣΔ modulator and then digitally computed with the sequence of temperature compensation values.
[0029] Fig. 1a zeigt ein Blockschaltbild 10, welches das Prinzip der erfindungsgemässen Temperaturkompensation darstellt. Ein temperaturabhängiger Widerstand 11, der entweder ein separates Bauteil sein kann oder aber durch den Kupfergleichstromwiderstand der Spule des LC-Schwingkreises des induktiven Näherungssensors gebildet wird, liefert ein analoges, von der Temperatur θ und insofern von der Zeit t abhängiges Ausgangssignal xθ(t) an einen ΣΔ-Modulator 12. 1a shows a block diagram 10, which represents the principle of the inventive temperature compensation. A temperature-dependent resistor 11, which may either be a separate component or is formed by the DC copper resistance of the coil of the LC resonant circuit of the inductive proximity sensor, supplies an analog output signal xθ (t) dependent on the temperature θ and thus on the time t a ΣΔ modulator 12.
[0030] Allgemein erzeugt ein ΣΔ-Modulator in an sich bekannter Weise ein puls-häufigkeitsmoduliertes digitales Signal, dessen Mittelwert ein sehr genaues Mass für das analoge Eingangssignal des ΣΔ-Modulators darstellt. Durch die hohe Überabtastung wird ein Quantisierungsrauschen in einen hohen Frequenzbereich verlagert und kann anschliessend leicht ausgefiltert werden, so dass ein relativ niederfrequentes Nutzsignal mit hoher Auflösung bereitgestellt werden kann. In general, a ΣΔ modulator generates a pulse frequency modulated digital signal in a manner known per se, the mean value of which represents a very accurate measure of the analog input signal of the ΣΔ modulator. Due to the high oversampling, a quantization noise is shifted into a high frequency range and can then be easily filtered out, so that a relatively low-frequency useful signal with high resolution can be provided.
[0031] Der ΣΔ-Modulator 12 kann ein Modulator erster oder höherer Ordnung sein, wobei sich die Ordnung M des ΣΔ-Modulators auf den Verlauf einer Interpolationskurve zwischen Stützwerten einer Nachschlagetabelle auswirkt, wie nachstehend beschrieben wird. Der ΣΔ-Modulator 12 arbeitet mit einer Überabtastfrequenz fc, die beispielsweise 200 kHz betragen kann. In diesem Beispiel ergibt sich diese Überabtastfrequenz aus einer maximalen Signalbandbreite fb des Nutzsignals von z.B. 100 Hz und einer hohen Überabtastrate OSR (Over-Sampling Rate) von 1024 nach der Beziehung fc=2*fb*OSR. Dabei ist fb eine für die Änderung der Umgebungstemperatur charakteristische Frequenz. In der Praxis wird die Überabtastrate aufgrund der leichten technischen Realisierbarkeit häufig, wie auch beim oben angeführten Beispiel, als ein Vielfaches von Zwei implementiert. The ΣΔ modulator 12 may be a first order or higher order modulator, where the order M of the ΣΔ modulator affects the course of an interpolation curve between samples of a look-up table, as described below. The ΣΔ modulator 12 operates at an oversampling frequency fc, which may be 200 kHz, for example. In this example, this oversampling frequency results from a maximum signal bandwidth fb of the wanted signal of e.g. 100 Hz and a high oversampling rate OSR (Over-Sampling Rate) of 1024 according to the relationship fc = 2 * fb * OSR. Fb is a frequency characteristic of the change in ambient temperature. In practice, the oversampling rate is often implemented as a multiple of two due to its ease of technical feasibility, as in the example above.
[0032] Neben der Berücksichtigung der Signalbandbreite fb des Nutzsignals kann es bei der Auslegung des ΣΔ-Modulators vorteilhaft sein, die Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises des induktiven Näherungssensors einzubeziehen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass bei einer Digitalisierung der Oszillatorausgangsspannung des LC-Schwingkreises des Näherungssensors und einer anschliessenden digitalen Verrechnung mit einer Folge von Temperaturkompensationswerten mit aufeinander abgestimmten Abtastfrequenzen gearbeitet wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass kein separater Takt für den ΣΔ-Modulator notwendig ist. In addition to the consideration of the signal bandwidth fb of the useful signal, it may be advantageous in the design of the ΣΔ modulator to include the resonant frequency of the LC resonant circuit of the inductive proximity sensor. In this way, it can be ensured that the oscillator output voltage of the LC resonant circuit of the proximity sensor is digitized and then a digital offset with a sequence of temperature compensation values with matched sampling frequencies is used. Another advantage is that no separate clock is necessary for the ΣΔ modulator.
[0033] In an sich bekannter Weise besteht die Ausgabe des ΣΔ-Modulators 12 aus einer digitalen Folge aus Nullen und Einsen. Diese digitale Folge aus Nullen und Einsen, die im Rahmen dieser Beschreibung als «erste Folge digitaler Werte» bezeichnet wird, stellt im Mittelwert eine sehr genaue Messung des Widerstandswerts des temperaturabhängigen Widerstands und damit der zu messenden Temperatur dar. In a manner known per se, the output of the ΣΔ modulator 12 consists of a digital sequence of zeros and ones. This digital sequence of zeros and ones, which in the context of this description is referred to as the "first sequence of digital values", represents on average a very accurate measurement of the resistance value of the temperature-dependent resistance and thus of the temperature to be measured.
[0034] Eine erste digitale Filterstufe 13, die eine Tiefpasscharakteristik aufweist, wobei die Ordnung der ersten Filterstufe vorteilhafterweise der Ordnung M des ΣΔ-Modulators entsprechen sollte, empfängt die erste Folge digitaler Werte. Die erste digitale Filterstufe 13 ist vorzugsweise sehr einfach aufgebaut und besteht bei einer Ausführungsform aus einem Summierer, der mehrere Werte aufsummiert, zum Beispiel fünf oder zehn Werte, und diese gegebenenfalls so normiert, dass die Ausgabewerte der ersten digitalen Filterstufe, welche hier als zweite Folge digitaler Werte bezeichnet werden, mit Adressen der Nachschlagetabelle 14 (LUT, Look-Up Table) übereinstimmen. Die Tiefpasswirkung der ersten digitalen Filterstufe 13 ist hierbei bewusst relativ schwach ausgeprägt, um zu erreichen, dass die als zweite Folge digitaler Werte bezeichneten resultierenden Ausgabewerte der ersten digitalen Filterstufe 13 noch nicht auf einen Zwischenwert konvergieren, sondern stattdessen zwischen zwei oder mehreren diskreten Werten «hin- und herspringen», wobei die Anzahl dieser diskreten Werte von der verwendeten Ordnung M des ΣΔ-Modulators abhängt. A first digital filter stage 13, which has a low-pass characteristic, wherein the order of the first filter stage should advantageously correspond to the order M of the ΣΔ modulator, receives the first sequence of digital values. The first digital filter stage 13 is preferably of very simple construction and in one embodiment consists of a summer which accumulates several values, for example five or ten values, and if necessary normalized such that the output values of the first digital filter stage, here as the second sequence digital values correspond to addresses of look-up table 14 (LUT, look-up table). The low-pass effect of the first digital filter stage 13 here is deliberately relatively weak in order to ensure that the resulting output values of the first digital filter stage 13, referred to as the second sequence of digital values, do not yet converge to an intermediate value, but instead between two or more discrete values and "jump", the number of these discrete values depending on the order M of the ΣΔ modulator used.
[0035] Bei dem in Fig. 1a und 1b dargestellten Beispiel wird eine Temperatur von 12,5 °C durch den ΣΔ-Modulator 12 in eine Folge aus Nullen und Einsen als der ersten Folge digitaler Werte umgesetzt und durch die erste digitale Filterstufe 13 in eine Folge aus Einsen und Zweien umgesetzt, welche die zweite Folge digitaler Werte darstellen und schematisch in dem Pfeil 130 im unteren Teil von Fig. 1a dargestellt ist. Selbstverständlich kann die zweite Folge digitaler Werte auch andere Werte umfassen, etwa Zweien und Dreien, wenn die von dem ΣΔ-Modulator 12 erfasste Temperatur des Temperatursensors in einem entsprechenden Bereich, in diesem Fall von 25 °C bis 50 °C, liegt. In the example shown in Figs. 1a and 1b, a temperature of 12.5 ° C is converted by the ΣΔ modulator 12 into a sequence of 0s and 1s as the first sequence of digital values and passed through the first digital filter stage 13 in Fig. 1a implemented a sequence of ones and two representing the second sequence of digital values and shown schematically in arrow 130 in the lower part of Fig. 1a. Of course, the second sequence of digital values may also include other values, such as two's and threes, when the temperature of the temperature sensor sensed by the ΣΔ modulator 12 is in a corresponding range, in this case from 25 ° C to 50 ° C.
[0036] Jeder der Werte der zweiten Folge digitaler Werte entspricht dabei einer Adresse der Nachschlagetabelle 14, sodass die Nachschlagetabelle 14, wie es in Fig. 1bdargestellt ist und weiter unten näher erläutert werden wird, eine entsprechende Folge digitaler Nachschlagewerte ausgibt, die an den Adressen oder Stützstellen der Nachschlagetabelle 14 hinterlegt sind. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel (θ = 12,5 °C) springt das Eingangssignal yθ[n] bzw. die zweite Folge digitaler Werte zwischen den Werten 1 und 2 hin und her. Die Nachschlagetabelle 14 gibt dementsprechend die an diesen Adressen hinterlegten Stützwerte y1bzw. y2 aus, d.h. hier die Zahlenwerte 50 bzw. 40. Each of the values of the second sequence of digital values corresponds to an address of the look-up table 14, so that the look-up table 14 outputs a corresponding sequence of digital look-up values, as shown in FIG. 1b, which will be explained in more detail below or supporting points of the look-up table 14 are deposited. In the example shown in FIG. 1 (θ = 12.5 ° C), the input signal y θ [n] or the second sequence of digital values switches back and forth between the values 1 and 2. The look-up table 14 accordingly outputs the supporting values y1 and b at these addresses. y2, i. here the numerical values 50 and 40 respectively.
[0037] Bei dem gezeigten Beispiel liegt die tatsächliche Temperatur bei 12,5 °C, also genau zwischen zwei als Stützstellen verwendeten Temperaturen 0 °C und 25 °C. Die zweite Folge digitaler Werte nach der ersten Filterstufe 13 springt bei Verwendung eines ΣΔ-Modulators erster Ordnung daher mit etwa gleicher Wahrscheinlichkeit zwischen 1 und 2 hin und her (wie es schematisch in Pfeil 130 angedeutet ist). Es ergibt sich ein Mittelwert von 1,5. Nach der zweiten Filterstufe ergibt sich dann ein Mittelwert von 45 (wie es schematisch an der vertikalen Achse der Fig. 1bangedeutet ist). In the example shown, the actual temperature is 12.5 ° C, ie exactly between two temperatures used as support points 0 ° C and 25 ° C. The second sequence of digital values after the first filter stage 13 therefore jumps between 1 and 2 with approximately equal probability when using a first-order ΣΔ modulator (as indicated schematically in arrow 130). The result is an average of 1.5. After the second filter stage, this results in a mean value of 45 (as indicated schematically on the vertical axis of FIG. 1 b).
[0038] Eine Temperatur von z.B. 25 °C entspräche direkt der Stützstelle yθ[n] = 2, so dass die Nachschlagetabelle 14 direkt den Wert 40 ausgäbe. A temperature of e.g. 25 ° C would correspond directly to the interpolation point yθ [n] = 2, so that the look-up table 14 directly outputs the value 40.
[0039] Die Folge digitaler Nachschlagewerte, die von der Nachschlagetabelle 14 ausgegeben wird, wird anschliessend von der zweiten Filterstufe 15, die wiederum Tiefpasscharakteristik aufweist, empfangen. In Fig. 1aist die zweite Filterstufe 15 als digitales Filter mit einer Abtastfrequenz fc dargestellt. Bei einigen Ausführungsformen, die nachstehend beschrieben sind, kann die zweite Filterstufe 15 jedoch auch analog ausgeführt sein. Die von der zweiten Filterstufe 15 durchgeführte Filterung der Folge digitaler Nachschlagewerte ist wesentlich stärker als die von der ersten digitalen Filterstufe 13 ausgeführte Filterung und führt zu einer Mittelwertbildung der empfangenen digitalen Nachschlagewerte. Wenn bei der ersten digitalen Filterstufe 13 zur Filterung z.B. 10 Werte aufsummiert werden, dann kann die zweite Filterstufe 15 z.B. 200 Werte aufsummieren. The sequence of digital look-up values output by the look-up table 14 is then received by the second filter stage 15, which in turn has a low-pass characteristic. In Fig. 1a, the second filter stage 15 is shown as a digital filter with a sampling frequency fc. However, in some embodiments described below, the second filter stage 15 may be analogous. The filtering of the sequence of digital look-up values performed by the second filter stage 15 is considerably stronger than the filtering performed by the first digital filter stage 13 and leads to an averaging of the received digital look-up values. If at the first digital filtering stage 13 for filtering e.g. 10 values are accumulated, then the second filter stage 15 can be e.g. Add up to 200 values.
[0040] Die von der zweiten Filterstufe 15 erzeugte Folge von Temperaturkompensationswerten wird bei der Ausführungsform der Fig. la durch einen Dezimator 16 mit einer Abschneidefrequenz 2fbgeleitet, um die durch die starke Überabtastung des ΣΔ-Modulators 12 erzeugten hochfrequenten Anteile, die keine weitere Information enthalten, zu beseitigen. Es entsteht das gefilterte Signal yK[m], wobei m die Wortbreite bezeichnet. The sequence of temperature compensation values generated by the second filter stage 15 is, in the embodiment of FIG. 1a, passed through a decimator 16 with a cutoff frequency 2fb to remove the high frequency components produced by the strong oversampling of the ΣΔ modulator 12 which contain no further information , to eliminate. The result is the filtered signal yK [m], where m denotes the word width.
[0041] Fig. 1b zeigt auf schematische Weise eine Temperaturcharakteristik eines beispielhaften induktiven Näherungssensors, welche für fünf Stützstellen 0 bis 4 für fünf Stützwerte y0-y4 in einer Nachschlagetabelle abgelegt ist. Fig. 1b shows schematically a temperature characteristic of an exemplary inductive proximity sensor, which is stored for five support points 0 to 4 for five support values y0-y4 in a look-up table.
[0042] Wie die untere Skala zeigt, werden Stützstellen im Abstand von 25°C bei -25°C beginnend bis zu +75°C verwendet. Es können jedoch auch mehr oder weniger Stützstellen und andere Abstände zwischen den Stützstellen verwendet werden. Die Skala am oberen Rand des Diagramms von Fig. 1bzeigt die Nummern 0 bis 4 der Stützstellen an, die den Temperaturen am unteren Rand des Diagramms von Fig. 1b entsprechen. Diese Zuordnung der Stützstellen zu den Temperaturwerten ist eine wesentliche Funktion der ersten digitalen Filterstufe 13. Die Kombination aus dem ΣΔ -Modulator 12 und der ersten digitalen Filterstufe 13 bildet somit einen Interpolator mit n Bit, wobei n die Anzahl der Stützstellen darstellt, die durch die erste digitale Filterstufe 13 bereitgestellt werden. As the lower scale shows, interpolation points at a distance of 25 ° C at -25 ° C starting up to + 75 ° C are used. However, more or fewer interpolation points and other distances between the interpolation points may be used. The scale at the upper edge of the diagram of Fig. 1b indicates the numbers 0 to 4 of the interpolation points which correspond to the temperatures at the lower edge of the diagram of Fig. 1b. This assignment of the interpolation points to the temperature values is an essential function of the first digital filter stage 13. The combination of the ΣΔ modulator 12 and the first digital filter stage 13 thus forms an n-bit interpolator, where n represents the number of interpolation points represented by the first digital filter stage 13 are provided.
[0043] Das Diagramm in Fig. 1bzeigt zudem, wie sich die Ordnung des ΣΔ -Modulators 12 auf die Interpolation zwischen den Stützwerten auswirkt. Ein ΣΔ-Modulator erster Ordnung führt zu einer linearen Interpolation zwischen den Stützwerten (gestrichelte Linie), während beispielsweise ein ΣΔ -Modulator dritter Ordnung zu einem stetigeren Verlauf der Interpolationskurve führt (durchgezogene Linie). The diagram in Fig. 1b also shows how the order of the ΣΔ modulator 12 affects the interpolation between the fundamental values. A first-order ΣΔ modulator results in a linear interpolation between the fundamental values (dashed line), while, for example, a third-order ΣΔ modulator leads to a more constant course of the interpolation curve (solid line).
[0044] Fig. 1a und 1b verdeutlichen insofern die erfindungsgemässe Lösung für die Temperaturkompensation, die die Tiefpassfilterung bei einem ΣΔ-Modulator auf zwei getrennte Filterstufen 13, 15 aufteilt und zwischen die zwei Filterstufen eine Nachschlagetabelle 14 einfügt, um dadurch ohne Verwendung eines Mikroprozessors eine Interpolation auszuführen und dabei den ΣΔ-Modulator als Interpolator zu verwenden. Die erfinderische Lösung führt einerseits zu einer grossen Flexibilität bei der Temperaturkompensation, da durch eine Nachschlagetabelle ohne weiteres ein beliebig komplexer Temperaturgang eines induktiven Näherungssensors abgebildet werden kann, und andererseits zu einer kostengünstigen Realisierung der Temperaturkompensation, da auf Mikroprozessoren, DSPs und ähnliche elektronische Bauelemente verzichtet werden kann. Fig. 1a and 1b illustrate the inventive solution for the temperature compensation that divides the low-pass filtering in a ΣΔ modulator on two separate filter stages 13, 15 and inserts a look-up table 14 between the two filter stages, thereby without the use of a microprocessor Perform interpolation using the ΣΔ modulator as an interpolator. The inventive solution leads on the one hand to a great flexibility in the temperature compensation, as can easily be represented by a lookup table arbitrarily complex temperature response of an inductive proximity sensor, and on the other hand to a cost-effective realization of the temperature compensation, since it dispenses with microprocessors, DSPs and similar electronic components can.
[0045] In Fig. 2-5 sind vier bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemässen induktiven Näherungssensors mit der beschriebenen Temperaturkompensation dargestellt, wobei die in Fig. 1 erörterte erfindungsgemässe Temperaturkompensation 10 auf verschiedene Weisen in den induktiven Näherungssensor integriert ist. In Fig. 2 und 3 wird die Folge von Temperaturkompensationswerten über einen Digital-Analog-Umsetzer 20, 20 ́ in analoge Werte umgesetzt, der zusammen mit einer Oszillatorschaltung 21, einem Komparator 22 und einer Ausgangsstufe 23 die Auswerteeinheit des induktiven Näherungssensors bildet. In Fig. 4und 5 hingegen wird die Oszillatorspannung digitalisiert und zusammen mit der Folge von Temperaturkompensationswerten digital ausgewertet. FIGS. 2-5 show four preferred embodiments of the inductive proximity sensor according to the invention with the described temperature compensation, wherein the temperature compensation 10 according to the invention discussed in FIG. 1 is integrated in various ways into the inductive proximity sensor. In FIGS. 2 and 3, the sequence of temperature compensation values is converted into analog values via a digital / analog converter 20, 20, which together with an oscillator circuit 21, a comparator 22 and an output stage 23 form the evaluation unit of the inductive proximity sensor. In contrast, in FIGS. 4 and 5 the oscillator voltage is digitized and digitally evaluated together with the sequence of temperature compensation values.
[0046] In Fig. 2 setzt ein Digital-Analog-Umsetzer 20 die digitale Folge von Temperaturkompensationswerten in einen temperaturabhängigen Referenzstrom um, welcher einer Oszillatorschaltung 21 des induktiven Näherungssensors zugeführt wird. Unter einer Oszillatorschaltung bzw. einem Oszillator wird im Rahmen dieser Anmeldung eine an sich bekannte Schaltung zur Anfachung und/oder Aufrechterhaltung einer Schwingung in dem zugehörigen LC-Schwingkreis des induktiven Näherungssensors verstanden, beispielsweise ein Verstärker mit Rückkopplung. Der LC-Schwingkreis des induktiven Näherungssensors umfasst hier eine Spule 25 und einen Kondensator 26. 2, a digital-to-analog converter 20 converts the digital sequence of temperature compensation values into a temperature-dependent reference current, which is supplied to an oscillator circuit 21 of the inductive proximity sensor. In the context of this application, an oscillator circuit or an oscillator is understood to be a circuit known per se for amplifying and / or maintaining a vibration in the associated LC resonant circuit of the inductive proximity sensor, for example an amplifier with feedback. The LC resonant circuit of the inductive proximity sensor here comprises a coil 25 and a capacitor 26.
[0047] Durch den temperaturabhängigen Referenzstrom kann ein Ausgangssignal der Oszillatorschaltung 21 beeinflusst werden, welches eine Spannung darstellt, die in an sich bekannter Weise von der Amplitude der Schwingung des LC-Schwingkreises des induktiven Näherungssensors abhängt. Ein Komparator 22, der das Ausgangssignal des Oszillators 21 empfängt, schaltet seinen Ausgang in Abhängigkeit von einer Referenz- oder Schaltschwellenspannung Uref und dem Wert des Ausgangssignals des Oszillators. Dieses Schalten des Ausgangs teilt einer Ausgangsstufe 23 das Vorhandensein eines Targets 24 mit, das in an sich bekannter Weise den LC-Schwingkreis bedämpft. Bei dieser ersten Ausführungsform wirkt die erfindungsgemässe Temperaturkompensation also direkt auf die Amplitude der Ausgangsspannung des Oszillators 21 ein. By the temperature-dependent reference current, an output signal of the oscillator circuit 21 can be influenced, which represents a voltage which depends in a conventional manner on the amplitude of the oscillation of the LC resonant circuit of the inductive proximity sensor. A comparator 22, which receives the output signal of the oscillator 21, switches its output in response to a reference or switching threshold voltage Uref and the value of the output signal of the oscillator. This switching of the output informs an output stage 23 of the presence of a target 24, which attenuates the LC resonant circuit in a manner known per se. In this first embodiment, the temperature compensation according to the invention thus acts directly on the amplitude of the output voltage of the oscillator 21.
[0048] Bei der Ausführungsform der Fig. 3wird die digitale Folge von Temperaturkompensationswerten über einen Digital-Analog-Umsetzer 20 ́ in Spannungswerte umgesetzt, welche die temperaturabhängige Referenz- oder Schaltschwellenspannung Uref des Komparators 22 bilden. Somit beeinflusst die erfindungsgemässe Temperaturkompensation bei der zweiten Ausführungsform die Schaltschwelle des Komparators 22. Bei dieser Ausführungsform wird das Vorhandensein des Targets 24, das in für induktive Näherungssensoren bekannter Weise die Amplitude der Spannung des LC-Schwingkreises und des zugehörigen Oszillators 21 beeinflusst, an eine Ausgangsstufe 23 gemeldet, wenn das Ausgangssignal des Oszillators 21 die temperaturabhängige Referenzspannung Uref über- bzw. unterschreitet. In the embodiment of FIG. 3, the digital sequence of temperature compensation values is converted via a digital-to-analog converter 20 into voltage values which form the temperature-dependent reference or switching threshold voltage Uref of the comparator 22. Thus, the inventive temperature compensation in the second embodiment affects the switching threshold of the comparator 22. In this embodiment, the presence of the target 24, which in known manner for inductive proximity sensors affects the amplitude of the voltage of the LC resonant circuit and the associated oscillator 21, to an output stage 23 reported when the output signal of the oscillator 21 exceeds or falls below the temperature-dependent reference voltage Uref.
[0049] In Fig. 4 ist eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemässen induktiven Näherungssensors dargestellt, bei der keine Umsetzung der digitalen Folge von Temperaturkompensationswerten in analoge Werte erfolgt. Stattdessen wird eine Ausgangsspannung des Oszillators 21 von einem Analog-Digital-Umsetzer 27 in digitale Werte umgesetzt, die zusammen mit der von der Temperaturkompensationsschaltung 10 gelieferten digitalen Folge von Temperaturkompensationswerten in einer digitalen Verrechnungseinheit 28 verarbeitet werden. Die digitale Verrechnungseinheit 28 kann dabei relativ einfach aufgebaut sein und beispielsweise nur einen Summierer umfassen. Wenn das Ergebnis der digitalen Verrechnung einen Schwellenwert überschreitet, meldet eine Ausgangsstufe 23 ́ das Vorhandensein eines Targets 24. Die Auswerteeinheit umfasst bei dieser Aus-führungsform die digitale Verrechnungseinheit 28 und die Ausgangsstufe 23 ́. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht in der relativ geringen Störanfälligkeit aufgrund der frühen Überführung der Signale in den digitalen Bereich. FIG. 4 shows a third embodiment of the inductive proximity sensor according to the invention, in which no conversion of the digital sequence of temperature compensation values into analog values takes place. Instead, an output voltage of the oscillator 21 is converted by an analog-to-digital converter 27 into digital values, which are processed together with the digital sequence of temperature compensation values supplied by the temperature compensation circuit 10 in a digital calculation unit 28. The digital accounting unit 28 can be constructed relatively simple and include, for example, only one summer. If the result of the digital allocation exceeds a threshold value, an output stage 23 reports the presence of a target 24. In this embodiment, the evaluation unit comprises the digital accounting unit 28 and the output stage 23. An advantage of this embodiment is the relatively low susceptibility due to the early transfer of the signals to the digital domain.
[0050] Fig. 5 zeigt eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemässen induktiven Näherungssensors, bei welcher ein Oszillator 21 ́ in den Rückkopplungskreis eines zweiten ΣΔ-Modulators 29 integriert ist, wie er zur Auswertung des Oszillatorsignals des LC-Schwingkreises des induktiven Näherungssensors in der Patentanmeldung DE 10 2007 007 551 A1 beschrieben ist. Bei dieser vierten Ausführungsform wird der erste ΣΔ-Modulator 12 zur Temperaturabtastung verwendet, während der zweite ΣΔ-Modulator 29 zur hochgenauen Messung der Amplitude des Oszillators 21 ́ verwendet wird. Die digitale Folge von Temperaturkompensationswerten und die von dem zweiten ΣΔ-Modulator 29 erzeugte Folge digitaler Werte werden der digitalen Verrechnungseinheit 28 zugeführt, welche beispielsweise beide Werte voneinander subtrahieren kann, um der Ausgangsstufe 23 ́ anzuzeigen, dass das Target 24 den LC-Schwingkreis aus der Spule 25 und dem Kondensator 26 bedämpft hat, wenn die Differenz einen Schwellenwert überschreitet. Die Auswerteeinheit umfasst bei dieser Ausführungsform die digitale Verrechnungseinheit 28 und die Ausgangsstufe 23 ́. 5 shows a fourth embodiment of the inductive proximity sensor according to the invention, in which an oscillator 21 is integrated into the feedback circuit of a second ΣΔ modulator 29, as used to evaluate the oscillator signal of the LC resonant circuit of the inductive proximity sensor in the patent application DE 10 2007 007 551 A1. In this fourth embodiment, the first ΣΔ modulator 12 is used for temperature sensing, while the second ΣΔ modulator 29 is used for highly accurate measurement of the amplitude of the oscillator 21. The digital sequence of temperature compensation values and the sequence of digital values generated by the second ΣΔ modulator 29 are supplied to the digital arithmetic unit 28, which may, for example, subtract both values from each other to indicate to the output stage 23 that the target 24 will detect the LC resonant circuit Coil 25 and the capacitor 26 has attenuated when the difference exceeds a threshold. The evaluation unit in this embodiment comprises the digital accounting unit 28 and the output stage 23.
[0051] Bei den Ausführungsformen von Fig. 2- 5ist jeweils ein separater, von der Temperatur d abhängiger Widerstand 11 dargestellt. Dieser Temperaturwiderstand 11 kann zwar ein separates Bauteil sein, kann aber vorteilhafterweise auch durch den Gleichstromwiderstand der Spule 25 gebildet sein. Bei dieser Verwendung des Spulenwiderstands kann zur Messung desselben ein differenzieller LC-Oszillator mit Gleichstromeinspeisung verwendet werden. Des Weiteren kann eine SC-Schaltung («Switched-Capacitor»-Schaltung) mit Synchronabtastung eingesetzt werden, um den Gleichstromanteil, d.h. das Temperatursignal, von der Oszillatorschwingung zu trennen. In the embodiments of FIGS. 2-5, a separate resistor 11, which is dependent on the temperature d, is shown in each case. Although this temperature resistor 11 may be a separate component, but can also be advantageously formed by the DC resistance of the coil 25. In this use of the coil resistance, a differential LC oscillator with DC injection can be used for the measurement thereof. Furthermore, a synchronous scan switched capacitor circuit can be used to drive the DC component, i. the temperature signal to separate from the oscillator oscillation.
[0052] Die SC-Schaltung kann in hier nicht dargestellter Weise mit einem Komparator und einer Referenzspannungs-Rückkopplung kombiniert werden, um dadurch einen ΣΔ-Modulator erster Ordnung auszubilden, der wie oben beschrieben zu einer hochgenauen Abtastung des Temperaturwerts eingesetzt wird. The SC circuit may be combined with a comparator and reference voltage feedback in a manner not shown herein to thereby form a first order ΣΔ modulator, which is used for high accuracy sampling of the temperature value as described above.
[0053] Für den Fall, dass der gesamte induktive Näherungssensor oder Teile desselben in einer integrierten Schaltung zusammengefasst sind, kann der Temperatursensor entweder in die integrierte Schaltung integriert sein oder separat davon angeordnet sein. In the event that the entire inductive proximity sensor or parts thereof are combined in an integrated circuit, the temperature sensor may either be integrated into the integrated circuit or be arranged separately therefrom.
[0054] Während die zweite Filterstufe in den Ausführungsformen von Fig. 4 und 5 digital sein muss, kann sie in den Ausführungsformen von Fig. 2und 3auch analog sein, wobei in diesem Fall der Digital-Analog-Umsetzer 20 bzw. 20 ́ vor der zweiten Filterstufe angeordnet ist. While the second filter stage in the embodiments of Figures 4 and 5 must be digital, it may also be analog in the embodiments of Figures 2 and 3, in which case the digital-to-analog converter 20 and 20, respectively, precede second filter stage is arranged.
[0055] Bei der Ausführungsform der Fig. 2beispielsweise ist es zudem möglich, das Bandpassverhalten des Oszillators 21 zu nutzen, um das Tiefpassverhalten der zweiten Filterstufe nachzubilden. In diesem Fall kann sowohl die zweite Filterstufe als auch der Digital-Analog-Umsetzer 20 entfallen. In the embodiment of FIG. 2, for example, it is also possible to use the band-pass behavior of the oscillator 21 in order to simulate the low-pass behavior of the second filter stage. In this case, both the second filter stage and the digital-to-analog converter 20 can be omitted.
[0056] Um die Genauigkeit der Temperaturkompensation noch weiter zu erhöhen, wird bei einer weiteren Ausführungsform ein zusätzlicher digitaler ΣΔ-Modulator direkt nach der Nachschlagetabelle angeordnet. In order to further increase the accuracy of the temperature compensation, in another embodiment, an additional digital ΣΔ modulator is placed directly after the look-up table.
[0057] Der für die erfindungsgemässe Temperaturkompensation eingesetzte ΣΔ-Modulator 12 kann sowohl zeitkontinuierlich als auch zeitdiskret ausgestaltet sein. The ΣΔ modulator 12 used for the temperature compensation according to the invention can be designed to be continuous-time as well as time-discrete.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
[0058] <tb>10<sep>Temperaturkompensationsschaltung <tb>11<sep>temperaturabhängiger Widerstand <tb>12<sep>ΣΔ-Modulator <tb>13<sep>Tiefpassfilter <tb>14<sep>Nachschlagetabelle <tb>15<sep>Tiefpassfilter <tb>16<sep>Dezimator <tb>20, 20 ́<sep>Digital/Analog-Umsetzer <tb>21, 21 ́<sep>Oszillator <tb>22<sep>Komparator <tb>23, 23 ́<sep>Ausgangsstufe <tb>24<sep>Target <tb>25<sep>Spule <tb>26<sep>Kondensator <tb>27<sep>Analog/ Digital-Umsetzer <tb>28<sep>digitale Verrechnungsstufe <tb>29<sep>ΣΔ-Modulator <tb>130<sep>Folge digitaler Nachschlagewerte <tb>θ<sep>Temperatur des induktiven Näherungssensors <tb>Xθ(t)<sep>zeitlicher Verlauf eines temperaturabhängigen Signals <tb>Yθ[n]<sep>zweite Folge digitaler Werte <tb>fb<sep>Bandbreite des Nutzsignals <tb>fc<sep>Filterabtastfrequenz <tb>M<sep>Ordnung des ΣΔ-Modulators[0058] <Tb> 10 <sep> temperature compensation circuit <tb> 11 <sep> temperature-dependent resistance <Tb> 12 <sep> ΣΔ modulator <Tb> 13 <sep> lowpass filter <Tb> 14 <sep> lookup <Tb> 15 <sep> low-pass filter <Tb> 16 <sep> decimator <tb> 20, 20 <sep> digital / analogue converter <tb> 21, 21 <sep> Oscillator <Tb> 22 <sep> comparator <tb> 23, 23 <sep> output stage <Tb> 24 <sep> Target <Tb> 25 <sep> coil <Tb> 26 <sep> capacitor <tb> 27 <sep> Analog / Digital Converter <tb> 28 <sep> digital billing level <Tb> 29 <sep> ΣΔ modulator <tb> 130 <sep> sequence of digital lookup values <tb> θ <sep> Temperature of the inductive proximity sensor <tb> Xθ (t) <sep> temporal course of a temperature-dependent signal <tb> Yθ [n] <sep> second sequence of digital values <tb> fb <sep> bandwidth of the wanted signal <Tb> fc <sep> filter sampling <tb> M <sep> Order of the ΣΔ modulator
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